基于超臨界CO2流體的載藥二醋酸纖維釋放行為

朱維維, 施楣梧,2, 龍家杰

(1.蘇州大學 紡織與服裝工程學院, 江蘇 蘇州 215123; 2.北京海淀第57離職干部休養所, 北京 100035)

二醋酸纖維為再生纖維素纖維,其產量僅次于粘膠纖維,具有良好的吸濕性和染色性,手感舒適,光澤柔和,質感如蠶絲,多用于高檔成衣面料。隨著時代發展,人們不僅僅滿足于纖維材料本身帶來的舒適體驗,更期待材料被賦予一定功能性,其中保健護膚類纖維材料廣受市場歡迎[1-3]。若二醋酸纖維被賦予相應護膚保健功能而用于內衣制品,其市場價值將被進一步提升。

目前,保健護膚類纖維材料的制備方法主要有共混紡絲法和接枝改性法,但均存在一定缺陷。其中共混紡絲法不適合加入熱敏性藥物,加入后易損傷纖維的物理力學性能,同時留存于纖維內部的護膚藥物難以遷移至纖維表面,造成大量浪費[4-5]。接枝改性法制備流程偏復雜,且易導致織物發硬或表面泛黃,其物理力學性能同樣易受影響[2,6]。通過微膠囊包合易受環境影響的護膚藥物,如維生素[7]、精油[8]等,除可利用上述2種方法將其負載到纖維或織物上,也可直接采用浸軋或涂覆方式,但需加入交聯劑進行固化,從而導致織物手感下降。同時,上述方法均難以實現護膚藥物從纖維或織物中釋放的速率及周期的有效調控。

超臨界CO2流體技術可在較低溫度 (≥31.1 ℃) 下直接溶解護膚藥物并將其載入纖維中,加工結束后流體可轉變為氣體被回收再次利用。該方法不僅使護膚纖維的制備方法更加簡單、高效,且可通過改變流體溫度、壓力等調節藥物在纖維上的負載量及其分布,而負載量及其分布是影響藥物從基材中釋放的速率及周期的關鍵因素[9-11]。為此,本文以具有抗菌、抗氧化功效的生物活性藥物白藜蘆醇作為護膚藥物,采用超臨界CO2流體技術制備載藥二醋酸纖維,考察流體溫度、壓力對所制備的載有白藜蘆醇的二醋酸纖維釋放行為的影響,并建立釋放模型,為獲得具有良好緩釋性能的保健護膚二醋酸纖維提供一定參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

材料:白藜蘆醇,分析純,阿拉丁試劑(上海)有限公司;無水乙醇,分析純,優特普科技蘇州有限公司;CO2氣體,吳江市國榮氣體有限公司;二醋酸纖維,單纖維線密度為2.7 dtex,取代度為 2.45,南通醋酸纖維有限公司。

儀器:SD10-Ⅱ型超臨界CO2流體小樣機,自制;TU-1810型紫外-可見分光光度計,北京普析通用儀器有限責任公司;KQ-50DB型數控超聲波清洗器,昆山市超聲波儀器有限公司;DHG-9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱,上海精宏實驗設備有限公司。

1.2 標準曲線繪制

稱取0.1 g白藜蘆醇溶于250 mL無水乙醇中,將其稀釋為不同標準質量濃度的溶液,并分別置于紫外-可見分光光度計中測試其在波長為306 nm處的吸光度,根據質量濃度-吸光度值繪制出標準曲線。以吸光度作為橫坐標,質量濃度作為縱坐標,標準曲線方程為

C=0.008 5A

式中:C為白藜蘆醇在乙醇中的質量濃度,g/L;A為含白藜蘆醇的乙醇溶液在波長為306 nm處的吸光度。

1.3 載藥二醋酸纖維制備

首先,稱取5 g二醋酸纖維經去離子水水洗、烘干后均勻捆綁于紗線架上,同時稱取質量為5%二醋酸纖維質量的白藜蘆醇置于鋼杯底部,將紗線架、鋼杯均放置于超臨界CO2流體設備的染色釜中,其中紗線架處于鋼杯上方。接著關閉染色釜,開啟設備,使染色釜中超臨界CO2流體溫度(70、80、 90 ℃)、 壓力(12、16、20 MPa)達到設定值,并保持流體處于循環流動狀態,使得白藜蘆醇充分溶解于流體中,90 min后停止實驗,泄壓打開染色釜,取出制備好的負載白藜蘆醇的載藥二醋酸纖維。前期實驗發現,流體溫度和壓力過高、加工時間過長,所制備的負載白藜蘆醇的二醋酸纖維的力學性能會明顯下降,因此,最高流體溫度設為90 ℃、最高壓力設為 20 MPa、 加工時間設為90 min。

1.4 載藥二醋酸纖維負載量計算

取約0.65 g負載白藜蘆醇的二醋酸纖維置于乙醇中,超聲波振蕩120 min后將萃取液轉移至100 mL 容量瓶中,并定容至100 mL,取其中少量采用紫外-可見分光光度計進行吸光度測試;同時將萃取結束后的二醋酸纖維在90 ℃條件下烘干(4 h),并平衡24 h后稱取質量。負載量計算公式為

L=0.008 5A1V1/m

式中:L為白藜蘆醇在二醋酸纖維上的負載量,即二醋酸纖維負載的白藜蘆醇質量與二醋酸纖維本身質量之比,g/g;A1為所萃取的白藜蘆醇在乙醇中的吸光度;V1為萃取液的體積,100 mL;m為萃取后的二醋酸纖維質量,g。

1.5 載藥二醋酸纖維釋放實驗及相關計算

取約1.3 g負載白藜蘆醇的二醋酸纖維置于裝有75 mL乙醇的錐形瓶底部,選擇乙醇作為釋放介質以避免因在水溶液中溶解度過小導致藥物釋放不完全,然后于32 ℃靜置,間隔特定時間(10、 20、30、40、50、60、90、120、150、180、210、240 min)后,取少量上清液采用紫外-可見分光光度計進行吸光度測試,測試結束后再將上清液緩慢倒回錐形瓶中。實驗結束后,從錐形瓶中取出二醋酸纖維,于90 ℃條件下烘干(4 h),平衡24 h后稱取質量。絕對釋放量、累計釋放百分比以及相應的釋放速率計算公式為:

RARM=0.008 5A2V2/G1

RCRP=0.008 5A2V2/(G1L)×100%

2 結果與討論

2.1 不同溫度下制備的載藥纖維釋放曲線

利用超臨界CO2流體分別在壓力為16 MPa、時間為90 min、不同溫度條件下制備得到負載白藜蘆醇的二醋酸纖維,將其置于釋放介質乙醇中,根據其釋放量、釋放時間繪制相應釋放曲線,如圖1所示。

圖1 不同流體溫度下所制備負載白藜蘆醇的二醋酸纖維的釋放曲線Fig.1 Release curves of resveratrol-loaded diacetate fibers processed by different fluid temperatures. (a) Absolute release amount; (b) Absolute release rate; (c) Cumulative release percentage; (d) Cumulative release rate

由圖1(a)、(b)可看出,較高溫度條件下制備的載藥二醋酸纖維其絕對釋放量更大,相應的絕對釋放速率也更快。經計算,當處理溫度為70、80、90 ℃ 時,白藜蘆醇在二醋酸纖維上的負載量分別為0.358×10-4、0.884×10-4、2.78×10-4g/g。分析其原因為絕對釋放量、絕對釋放速率與負載量呈正相關[9],溫度越高,白藜蘆醇在二醋酸纖維上的負載量越高,從而導致絕對釋放量、絕對釋放速率均越高。圖1(b)顯示當釋放時間為40 min時,不同溫度(70、80 ℃)下制備的載藥二醋酸纖維的釋放速率出現上升趨勢,其中溫度為90 ℃時制備的載藥二醋酸纖維在釋放時間為50 min時釋放速率出現上升現象。這與白藜蘆醇在二醋酸纖維表面及內部的分布相關,當處于釋放介質中時,分布于纖維表面的白藜蘆醇首先溶解并擴散在乙醇中,隨著乙醇浸入到纖維內部,更多分布于纖維內部的白藜蘆醇溶解并從纖維內層擴散到纖維表面,再由纖維表面擴散到乙醇溶液中;相較表面,分布于纖維內部的白藜蘆醇擴散到乙醇中需要更長的時間,因此,釋放一定時間后釋放速率反而上升。此現象說明采用超臨界CO2流體制備的載藥二醋酸纖維能使藥物更大比例地分布于纖維內部。

由圖1(c)、(d)可看出,更高超臨界CO2流體溫度條件下制備的載藥二醋酸纖維在釋放介質中的累計釋放百分比及對應的累計釋放速率均更低。這說明當溫度較高時,溶解在流體中的白藜蘆醇進入二醋酸纖維內部的比例更大,當制備好的載藥二醋酸纖維處于釋放介質中時,由于白藜蘆醇更多分布于二醋酸纖維內部,最終使累計釋放百分比、累計釋放速率降低。分析其原因為二醋酸纖維本身分子鏈之間空隙較大,規整性較低[12],超臨界CO2流體滲透進入二醋酸纖維內部相對更容易,并能夠對其產生溶脹作用,而溫度升高起到進一步加強作用,因此,溫度越高,溶解在流體中的白藜蘆醇越能更大程度地隨CO2流體進入二醋酸纖維內部,最終導致溫度為90 ℃條件下制備的載有白藜蘆醇的二醋酸纖維在接近釋放平衡時,仍有將近40%的白藜蘆醇殘留在二醋酸纖維中。

圖1(d)同樣顯示釋放一定時間后,白藜蘆醇從二醋酸纖維中的累計釋放速率呈現上升趨勢,具體為當釋放時間為40 min時,溫度為70、80 ℃條件下制備的載藥二醋酸纖維釋放速率呈現上升現象;當釋放時間為50 min時,溫度為90 ℃條件下制備的載藥二醋酸纖維釋放速率呈現上升現象。其原因仍然與二醋酸纖維內部分布的部分白藜蘆醇相關。在CO2流體對二醋酸纖維的滲透作用下,溶解在CO2流體中的白藜蘆醇也隨其滲透進入二醋酸纖維內部;當所制備的載藥二醋酸纖維處于釋放介質中時,分布于纖維內部的白藜蘆醇溶解在乙醇中并從纖維內層擴散至纖維表面,再擴散至乙醇中;相較分布于纖維表面的白藜蘆醇直接擴散至乙醇中,處于纖維內部的白藜蘆醇擴散到乙醇中的時間有一定的延后,從而使得整體釋放速率在初始釋放一定時間后反而呈現上升現象。

2.2 不同壓力下制備的載藥纖維釋放曲線

利用超臨界CO2流體在溫度為80 ℃,時間為90 min,不同壓力條件下制備負載白藜蘆醇的二醋酸纖維,將其置于釋放介質乙醇中,根據其釋放量、釋放時間繪制相應釋放曲線,如圖2所示。

圖2 不同流體壓力下所制備負載白藜蘆醇的二醋酸纖維的釋放曲線Fig.2 Release curves of resveratrol-loaded diacetate fibers processed by different fluid pressure. (a) Absolute release amount; (b) Absolute release rate; (c) Cumulative release percentage; (d) Cumulative release rate

由圖2(a)、(b)可看出,整體上隨著壓力的升高,白藜蘆醇從二醋酸纖維中的絕對釋放量、絕對釋放速率均更高,分析其原因仍與白藜蘆醇在二醋酸纖維上的負載量相關。當壓力分別為12、16、20 MPa 時,白藜蘆醇在二醋酸纖維上的負載量分別為0.592 × 10-4、0.884 × 10-4、2.177 × 10-4g/g, 更高的負載量使得白藜蘆醇從二醋酸纖維中的絕對釋放量、絕對釋放速率均更高。但初始釋放時間0～50 min 內,在壓力為12 MPa條件下制備的載藥二醋酸纖維的絕對釋放量、絕對釋放速率均更高。其原因為:低壓下超臨界CO2流體通過滲透作用進入二醋酸纖維內部的程度較小,壓力釋放后CO2流體轉變為氣體逸出,而溶解在流體中的白藜蘆醇析出并更多負載在纖維表面;當壓力升高時,CO2流體滲透進入二醋酸纖維內部的程度增大,從而引起溶解在流體中的白藜蘆醇滲進纖維內部的程度增大,壓力釋放后更多的白藜蘆醇分布在纖維內部。當處于釋放介質中時,分布在纖維表面的白藜蘆醇最先釋放,而分布在纖維內部的白藜蘆醇釋放有一定延遲,最終導致在釋放初始階段(0～50 min),壓力為 12 MPa 條件下制備的載藥二醋酸纖維絕對釋放量、絕對釋放速率更高。

由圖2(c)、(d)可看出,較高流體壓力下制備的載藥二醋酸纖維的累計釋放百分比、累計釋放速率均更低。其原因為:當壓力較低時,CO2流體滲透進入二醋酸纖維內部的程度較小,導致溶解在CO2流體中的白藜蘆醇滲進二醋酸纖維內部的程度也較小;壓力釋放后,相較于纖維內部,纖維淺表層分布更多的白藜蘆醇,因此,壓力較低時制備的載藥二醋酸纖維的累計釋放百分比更高;當壓力升高后,CO2流體對二醋酸纖維的滲透作用顯著增強,溶解在CO2流體中的白藜蘆醇滲進纖維內部的比例增大,壓力釋放后大量白藜蘆醇留存在纖維內部,導致較高壓力下制備的載藥二醋酸纖維累計釋放百分比更低。從圖2(c)看出,當超臨界CO2流體壓力為 20 MPa 時,所制備的載藥二醋酸纖維在介質中釋放250 min時,藥物殘留量可達50%。從圖2(d)看出,當壓力為16、20 MPa時,制備的載藥二醋酸纖維在釋放30～50 min后累計釋放速率有輕微上升。其原因仍然與更多的白藜蘆醇分布在纖維內部相關,當處于釋放介質中時,分布在纖維內部的白藜蘆醇需先擴散至纖維表面,隨后再分散到釋放介質中,導致一定釋放時間后累計釋放速率有輕微上升。

綜上可知:超臨界CO2流體溫度、壓力越高,制備得到的載藥二醋酸纖維其白藜蘆醇負載量越大,從而導致白藜蘆醇從二醋酸纖維中的絕對釋放量、絕對釋放速率更高;溫度、壓力的升高增強了CO2流體對二醋酸纖維的滲透、溶脹,使得更多的白藜蘆醇進入到二醋酸纖維內部,引起白藜蘆醇從二醋酸纖維中的累計釋放百分比、累計釋放速率下降;由于白藜蘆醇在纖維內部的分布比例增大,導致初始釋放一定時間后,累計釋放速率反而有一定上升。

3 載藥二醋酸纖維釋放模型的建立

零級釋放模型、一級釋放模型、Higuchi模型以及Korsmeyer-Peppas模型是描述藥物釋放機制的主要模型,但零級釋放模型相對簡單,建立的相關參數一般難以準確描述釋放過程[13-15],因此,本文選擇一級釋放模型、Higuchi模型以及Korsmeyer-Peppas模型描述白藜蘆醇從二醋酸纖維中的釋放行為,模型具體公式如下。

一級釋放模型:

Qt=Keαt+b

Higuchi模型:

Qt=Kt0.5+b

Korsmeyer-Peppas模型:

Qt=Ktn

式中:Qt為藥物在時間t時對應的累計釋放百分比[11],%;K為速率常數;n為擴散指數;α、b為所建立模型的相應系數及截距。

3.1 不同溫度下制備的載藥纖維釋放模型

將不同溫度下制備的載藥二醋酸纖維的累計釋放百分比曲線進行一級釋放動力學模型、Higuchi模型、Korsmeyer-Peppas模型擬合,結果如表1及圖3所示。

表1 超臨界CO2流體不同溫度下制備的載藥二醋酸纖維的釋放模型擬合參數Tab.1 Fitting parameters of release models of drug-loaded diacetate fibers processed by supercritical CO2 fluid at different temperatures

圖3 不同流體溫度下所制備負載白藜蘆醇的二醋酸纖維的釋放擬合曲線Fig.3 Release simulation curves of resveratrol-loaded diacetate fibers at different fluid temperatures. (a) First-order release model; (b) Higuchi model; (c) Korsmeyer-Peppas model

由表1可看出,超臨界CO2流體溫度為70、80、90 ℃時制備的載藥二醋酸纖維的一級釋放模型擬合度R2分別為0.957 1、0.961 3、0.935 4,Higuchi模型擬合度R2分別為0.598 4、0.759 9、0.716 5,Korsmeyer-Peppas模型擬合度R2分別為0.666 4、0.819 9、0.763 3。說明一級釋放模型對載藥二醋酸纖維釋放曲線的擬合度最高,均在0.93以上。此外,圖3表明一級釋放模型的擬合曲線與載藥二醋酸纖維實際釋放曲線重合度最高,說明載藥二醋酸纖維的釋放曲線可用一級釋放動力學模型描述。

3.2 不同壓力下制備的載藥纖維釋放模型

將不同壓力下制備的載藥二醋酸纖維的累計釋放百分比曲線進行一級釋放動力學模型、Higuchi模型、Korsmeyer-Peppas模型擬合,結果如表2及圖4所示。

表2 超臨界CO2流體不同壓力下制備的載藥二醋酸纖維的釋放模型擬合參數Tab.2 Fitting parameters of release models of drug-loaded diacetate fibers processed by supercritical CO2 fluid at different pressures

圖4 不同流體壓力下所制備負載白藜蘆醇的二醋酸纖維的釋放擬合曲線Fig.4 Release simulation curves of resveratrol-loaded diacetate fibers at different fluid pressures. (a) First-order release model; (b) Higuchi model; (c) Korsmeyer-Peppas model

由表2可知,超臨界CO2流體在不同壓力12、16、20 MPa條件下制備的載藥二醋酸纖維的一級釋放模型擬合度R2分別為0.996 3、0.976 9、0.966 4,Higuchi模型擬合度R2分別為0.443 8、0.797 9、0.968 5,Korsmeyer-Peppas模型擬合度R2分別為0.587 4、0.850 2、0.965 4。同樣顯示一級釋放動力學模型對載藥二醋酸纖維釋放曲線的擬合度最高,且圖4中一級釋放模型的擬合曲線與載藥二醋酸纖維實際釋放曲線重合度最高。

綜上可知,一級釋放動力學模型更適合描述不同超臨界CO2流體溫度、壓力條件下制備的負載白藜蘆醇的二醋酸纖維的釋放行為。

4 結 論

本文考察了超臨界CO2流體溫度、壓力對負載有白藜蘆醇的二醋酸纖維在釋放介質乙醇中釋放行為的影響,同時建立釋放動力學模型,可為制備具有良好釋放性能的載藥二醋酸纖維提供參考依據,通過研究得到如下主要結論。

1)由于更高超臨界CO2流體溫度、壓力下制備的載藥二醋酸纖維藥物的負載量更高,從而導致藥物白藜蘆醇從二醋酸纖維中的絕對釋放量、絕對釋放速率均更高。

2)溫度、壓力的升高引起CO2流體對二醋酸纖維滲透、溶脹作用增強,導致更高溫度、壓力條件下制備的載藥二醋酸纖維累計釋放百分比、累計釋放速率更低,接近釋放平衡時,白藜蘆醇在二醋酸纖維中的殘留率可達50%。

3)由于部分白藜蘆醇分布于二醋酸纖維內部,導致初始釋放一定時間后,白藜蘆醇釋放到介質乙醇中的速率反而有一定上升。

4)相較Higuchi模型、Korsmeyer-Peppas模型,白藜蘆醇從二醋酸纖維中的釋放行為更符合一級釋放動力學模型,擬合度R2均在0.93以上。